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天线的基本概念


天线的基本概念 天线是 FM DX 的耳朵,微弱的电波从天线经过馈线进入接收机,才能 让我们听到远方电台的声音。一个接收系统的好坏,天线占了一半。我 们希望天线能有高的增益,把微弱的信号变得响亮,我们希望天线能有 一定的选择能力,把传呼台干扰和本地强台挡在外面,我们希望天馈系 统尽量减小损耗,把每一微伏的信号都送到接收机的前端。 对于大多数使用便携式收音机来收听 FM DX 的人

说,他们的天线也许 只是收音机上的拉杆天线, 这样的天线虽然简单方便, 但是对于 FM DX 来说,无论如何是不够的,尽管拜电离层的恩赐,这样的天线系统也不 是没有可能接收到 DX 信号。 我将介绍一些常见而且容易自制的天线, 这些天线能够用我们日常生活 中容易得到的材料制作。我会逐一制作这些天线,将制作的过程拍成照 片,并给出尽可能详细的尺寸数据。尽管我在制作过程中会动用天线分 析仪甚至是综合测试仪等设备, 但是我将告诉读者不使用这些昂贵仪器 的调试方法。至少,完全按照我的材料、尺寸总不会错。 电波 在讲天线之前,不能不先提一提电波。 我们制作天线的目的是为了捕捉电波,因此,在考虑天线的问题之前, 绝对有必要先研究一下电波的问题。 FM 广播波段,频率上是从 87.5MHz 到 108MHz,对应的波长是 3.4 米 到 2.7 米,一般称做 3 米波段,是 VHF(Very High Frequency)的一段。 这个波段以下,54MHz 到 87.5MHz 是电视广播波段,以上,108MHz

到 136MHz 是航空通讯波段。VHF 波段的电波传播,主要有三种途径: 直接波 这是指从发射天线到接收天线之间,不经过任何发射,直接到达,电波 就象一束光一样,所以有人称它为视线传播。视线传播这个名字也表明 了这种传播方式能够传播的距离不远。这有两个原因,首先是电波从发 射点出发, 其能量是以幂级数递减的, 而接收机要能良好地解调出广播, 需要一定的信号强度。所以太远的地方,信号太弱,不足以解调。如果 只是这个原因,那么拼命提高发射功率或增加接收天线的增益,也许就 可以扩大收听的范围了。但是,还有一个重要的问题是,地球是圆的, 在地球上任何一点发出的电波,按直线前进的方向,最终将离开地球射 向天空。主要是由于第二个原因,一般地讲,地面上一个发射台发出的 直线波, 只能传播到 70km 远处地面上的接收处。 如果双方的高度增加, 那么这个距离还可以增加,但总是有限的。所以,70km,是本地收听 的极限,实际上,由于山脉、丘陵、房屋的阻挡、反射,这个距离还要 大打折扣,一般可以估计的距离是 35km。 电离层发射波 这是指电波通过电离层的发射达到接收方。这里面的名堂很多。电离层 本身是有多个层次的,支持短波(1.8MHz 到 30MHz)反射的电离层是 F1 和 F2 层。F1 和 F2 并不是甘心反射所有的无线电波,它们能反射的 最高频率是有限的,超过这个频率的电波完全得不到反射,而是穿过电 离层射向太空。如果没有这个特性,那么通讯卫星就不可能存在了,通 讯卫星就是在电离层外工作的。这个最高频率叫作 MUF(Max Usable

Frequency) MUF 与很多因素有关,主要是和太阳黑子活跃程度以及 。 季节有关。太阳黑子活跃,MUF 就高,天气热,MUF 也高。MUF 最高 能高到多少呢?一般在太阳黑子活跃期的夏天,MUF 在 20MHz 到 40MHz 之间,很少超过 50MHz。在低的时候甚至会低到 10MHz 以下。 但是在太阳黑子异常活跃的时候, MUF 也有可能偶然达到 100MHz。 这 时候,就有可能通过 F 层发射收到 DX FM 了。但是这不是 FM DX 的 主要形式,FM DX 主要是通过另外一个电离层 E 层。本来 E 层的出现 是破坏 F 层,所以我们不妨记 F 层为 Friend 层,E 层为 Enemy 层。但 是 Es 层的出现,却会形成一个短期内密度极高的反射层。反射层的密 度高,意味着能更好地反射电波。所以 Es 层开通的时候,DX 电台的信 号会异常地强。在 6 米和 10 米业余波段工作的业余电台都知道, Es 层开通的时候,很小的功率,甚至 5W,也有可能做 DX 联络。Es 的开 通,主要是提供了 800km 以内电波的传播路径。由于信号很强,其实 很多时候并不需要很好的设备就可以接收,需要的是耐心和运气。除了 这两种反射,FM DX 还有可能通过对流层反射和流星余迹到达你的接 收机。 地波和大气波导 本来来说, 理论上 VHF 是不存在地波的。 但是无数的实践表明, VHF 也 存在着某种程度的地波传播。所以我们能稳定地接收 200km 左右电台 的信号。 江苏和安徽两省的业余电台, 每年国庆的时候都进行全省 VHF 移动通讯实验, 也证明了 VHF 电波可以在 200km 左右的距离得到传播。 大气波导是另外一种可能传播 VHF 电波的手段,不过人们研究得还不

够多。 既然存在着这些可能,那么如何知道我收到的信号是以什么方式来的 呢?一般来说,如果收到的信号来自 70km 以内的电台,基本上可以认 为是直接波;如果是 200km 以内,而且信号稳定(不一定强) ,那么大 概是地波;如果是 800km 以内,信号很强,但是极不稳定,而且偶尔 才出现,多半是 Es 层传播;如果距离更远,信号很弱,大概是 F 层或 其他形式的电离层传播了。 知道这些有什么用呢?用处在于帮助我们选择对天线的要求。比如,F 层的传播有一个特点是越距,大约 500km 以内的电台是不可能通过 F 层的传播来的,这个距离内的电台信号只能以 Es 层来。就象在杭州想 要接收台湾的 FM 电台信号,只能 PNP(Plug and pray) ,等 Es 层,那 么天线就要考虑适合 Es 层的特点。 还有一个很重要的因素是极化方式, 这是很容易被很多爱好者忽略的问 题。电波的极化方式有三种:水平极化、垂直极化和圆极化。不管理论 上怎么计算,简单的判断方法,就是看振子的方向,振子是水平放的就 是水平极化, 垂直的就是垂直极化, 圆极化不用在 FM 广播, 可以不管。 极化方式之所以重要,是因为要求发射方与接收方的极化方式必须一 致,才能有好的接收效果。我国广播的极化方式是水平极化,所以,接 收天线也应水平架设。如果极化方式不一致,会有 10dB 到 20dB 的损 失。可是,经过电离层的反射过来的电波,早就被 反射得七荤八素、 颠三倒四?挡欢ㄊ鞘裁醇??绞搅恕K?裕?邮誅 X 信号,其实垂直极化也不错,附带的一个好处,就是可以削弱本地电台

的影响。 天线的特性 共振 任何天线都谐振在一定的频率上,我们要接收哪个频率的信号,就希望 天线谐振在那个频率上。天线谐振是对天线最基本的要求,要不然,就 没那么多讲究了,随便扔根线出去不也是天线嘛。 天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。 计算波长的公 式很简单,300/f。其中 f 的单位是 MHz,而得到的结果的单位是米。1/4 波长是称作基本振子,如偶极天线是一对基本振子,垂直天线是一根基 本振子。 不过天线中的振子的长度并不正好是 1/4 波长,因为电波在导线中行进 的速度与在真空中的不同,一般都要短一些,所以有一个缩短因子。这 个因子取决于材料。 带宽 这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的,这意味着 虽然谐振频率是一个频率点,但是在这个频率点附近一定范围内,这付 天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。 我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围, 最好是我们所收听的 整个 FM 广播波段。要不然换个台还要换天线或者调天线也太麻烦了。 天线的带宽和天线的型式、结构、材料都有关系。一般来说,振子所用 管、线越粗,带宽越宽;天线增益越高,带宽越窄。 阻抗

天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻 抗的要求就是匹配:和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天 线相连的是馈线,馈线的阻抗是确定的,所以我们希望天线的阻抗和馈 线一样。一般生产的馈线,主要是 300 欧姆、75 欧姆和 50 欧姆三种阻 抗,国外过去还有 450 欧姆和 600 欧姆阻抗的馈线。 基本偶极天线的阻抗是 75 欧姆左右,V 型偶极天线是 50 欧姆左右,基 本垂直天线阻抗 50 欧姆。其他天线一般阻抗都不是 50 或 75 欧姆,那 么在把它们与馈线连接之前,需要有一定的手段来做阻抗变换。 平衡 对称的天线是平衡的, 如偶极天线、 八木天线, 而同轴电缆是不平衡的, 把这两者连接起来,就需要解决平衡不平衡转换的问题。 增益 天线是无源器件, 但是天线是可以有增益的。 这个增益当然是相对增益, 是相对于基本偶极天线而言的。FM DX 所用的天线,当然希望增益越 高越好。不过别忘了,增益高往往伴随着带宽窄。 方向性 不是所有的天线都有方向性的。 便携式收音机上的拉杆天线就没有方向 性。偶极天线有弱的方向性,八木等定向天线可以得到较好的方向性。 好的方向性意外着能够集中收集所需方向的电波, 还有一个重要的能力 就是能部分地减弱本地电台信号的影响。 但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候,定向 天线就有可能使你错过天线背面的信号。所以比较合理的方式,是用一

个垂直天线和一付定向天线配合使用,用垂直天线等待,听到信号后, 再用定向天线转过去对准了听。 仰角 天线的仰角是指电波的仰角,而并不是天线振子本身机械上的仰角。仰 角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。对于 F 层传播,我们希望 仰角低,可以传播地远,对于 Es 层,电波主要是从高处来,我们希望 仰角高。 仰角的高低取决于天线型式和架设高度。一般来说,垂直天线具有低仰 角,其他天线的仰角随架设高度变化。 架设高度 天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度,一个高度我们考虑 它的水平面高度,这个高度对于本地信号有些用,对于 DX 其实用处不 大。 第二个常常被忽略的高度是地面高度, 是指天线到电气地面的高度。 比如架设在钢筋水泥房顶的天线,虽然房子高有 20 米,但是天线距房 顶只有 1 米,那么这付天线的高度只是 1 米。 天线的高度对不同的天线有不同的影响,一般会影响天线的阻抗和仰 角。通常我们认为天线的地面高度应在 0.4 个波长以上,才比较不受地 面的影响。 驻波比 最后介绍这个最不被中国的爱好者熟悉的特征。 驻波比反映了天馈系统的匹配情况。 它是以天线作为发射天线时发射出 去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。 驻波比是由天馈系统的阻

抗决定的。 天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致, 驻波比就小。 驻波比高的天馈系统,信号在馈线中的损失很大


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